Алефиренко В.М. Основы защиты информации

Подождите немного. Документ загружается.

Пустой контейнер – это контейнер без встроенного сообщения.

Заполненный контейнер, или стегоконтейнер – это контей-

нер, содержащий встроенную информацию.

Стеганографический канал (стегоканал) – это канал передачи

скрытого сообщения.

Ключ (стегоключ) – это секретный ключ, необходимый для

скрытия сообщения. В зависимости от количества уровней защиты в

стегосистеме может быть один или несколько стегоключей.

По аналогии

с криптографией по типу стегоключа стегосистемы

подразделяются на два вида: с секретным ключом и с открытым клю-

чом.

В стегосистеме с секретным ключом используется один ключ,

который должен быть определён либо до начала обмена секретными

сообщениями, либо передан по защищённому каналу.

В стегосистеме с открытым ключом для встраивания и извле-

чения

сообщения используются разные ключи, различие которых со-

стоит в том, что с помощью вычислений невозможно определить

один ключ из другого. Поэтому один ключ (открытый) может переда-

ваться свободно по незащищённому каналу связи.

Любая стегосистема должна отвечать следующим требованиям:

свойства контейнера должны быть модифицированы таким об-

разом, чтобы изменение невозможно было

выявить при визуальном

контроле;

стегосообщение должно быть устойчиво к искажениям, которые

могут иметь место при его передаче, включая и различные трансфор-

мации (уменьшение, увеличение, преобразование в другой формат,

сжатие без потери информации, сжатие с потерей информации и т.д.);

для сохранения целостности встраиваемого сообщения необхо-

димо использовать коды с исправлением ошибок

;

для повышения надёжности встраиваемое сообщение должно

быть продублировано [2].

2.2. Методы компьютерной стеганографии

2.2.1. Классификация методов

Методы компьютерной стеганографии можно разделить в целом

на два вида:

методы, основанные на избыточности визуальной и аудиоин-

формации;

методы, основанные на использовании специальных свойств

компьютерных форматов.

Методы, основанные на избыточности визуальной и аудиоин-

формации, для скрытия информации используют младшие разряды

цифровых отсчётов цифрового изображения и звука, которые содер-

жат очень мало полезной информации. Их заполнение дополнитель-

ной информацией практически не влияет

на качество восприятия, что

и даёт возможность скрытия конфиденциальной информации.

Преимуществом этих методов является возможность скрытой

передачи большого объёма информации и возможность защиты ав-

торского права путём создания скрытого изображения товарной мар-

ки, регистрационного номера и т.п.

Недостаток метода состоит в том, что за счёт введения дополни-

тельной информации

искажаются статистические характеристики

цифровых потоков. Для снижения компрометирующих признаков

требуется коррекция статистических характеристик.

Методы, основанные на использовании специальных свойств

компьютерных форматов, делятся на:

методы использования зарезервированных для расширения по-

лей компьютерных форматов данных;

методы специального форматирования текстовых файлов;

методы скрытия в неиспользуемых местах компакт дисков;

методы использования имитирующих функций;

методы удаления

идентифицирующего файл заголовка.

Методы использования зарезервированных для расширения по-

лей компьютерных форматов данных основаны на том, что многие

мультимедийные форматы имеют поля расширения, которые запол-

няются нулевой информацией и не учитываются программой. В эти

поля и записывается скрываемая информация.

Методы специального форматирования текстовых файлов в

свою очередь делятся на:

методы

использования известного смещения строк, слов, пред-

ложений, абзацев;

методы выбора определённых позиций букв;

методы использования специальных свойств, не отображаемых

на экране полей форматов.

Методы использования известного смещения строк, слов, пред-

ложений, абзацев основаны на изменении положения строк и расста-

новки слов в предложении, что обеспечивается вставкой дополни-

тельных пробелов между словами.

Методы выбора определённых позиций букв используют прин-

цип нулевого шифра. Акростих является частным случаем этого ме-

тода, когда, например, начальные буквы каждой строки

образуют со-

общение.

Методы использования специальных свойств, не отображае-

мых на экране полей форматов, основаны на использовании специ-

альных скрытых полей для организации сносок и ссылок, например,

использование чёрного шрифта на чёрном фоне.

Методы скрытия в неиспользуемых местах компакт дисков ос-

нованы на том, что скрываемая информация записывается в обычно

неиспользуемых местах дисков (например в нулевой дорожке).

Методы использования имитирующих функций основаны на ге-

нерации осмысленного текста, скрывающего информацию.

Методы удаления идентифицирующего файл заголовка основаны

на том, что скрываемая информация шифруется и в нем удаляется

идентифицирующий заголовок, который заранее известен пользова-

телю.

Преимуществом этих методов является простота их реализации,

а недостатком

– низкая степень скрытности и передача небольших

объёмов информации [1].

2.2.2. Метод замены младших бит

Одним из наиболее распространённых методов стеганографии,

использующих психофизические особенности человека, является ме-

тод замены младших бит информации, или LSB-метод (Least Signifi-

cant Bits). Распространённость этого метода обусловлена функцио-

нальной простотой, большой ёмкостью и высокой степенью защи-

щённости от стегоанализа [3].

Суть метода состоит в замене нескольких младших бит в байтах

данных. Он применяется в графических файлах, использующих для

формирования цвета каждого элемента изображения (пиксела) значе-

ния некоторых составляющих (например, значения составляющих

основных цветов – красного, зелёного и синего), или в звуковых фай-

лах, использующих для формирования звука значения дискретизиро-

ванных амплитуд сигнала.

При оцифровке изображения или звука всегда существует по-

грешность дискретизации, которая обычно находится на уровне

младшего значащего бита. Это значит, что фактически неизвестно,

что будет стоять в младшем значащем разряде цифрового представ-

ления цвета или звука. Поэтому при замене только самого

младшего

значащего бита говорить о каком-либо искажении изображения или

звука не имеет смысла. Однако при замене только одного младшего

бита такой метод имеет достаточно малую ёмкость, порядка 10% от

объёма файла-контейнера, поэтому на практике используют замену

более одного бита.

Рассмотрим использование данного метода на примере формата

BMP (BitMa

P), хранящего изображение в True Color (естественных

цветах) и являющимся основным форматом растровой графики для

системы Windows. Такие графические файлы имеют расширение

BMP, однако некоторые из них могут иметь расширение RLE (LEnth

encoRding), что указывает на то, что произведено сжатие растровой

информации, хранящейся в файле BMP-формата.

В файлах BMP информация о цвете каждого пиксела

задаётся

тремя байтами (1 байт = 8 битам). Каждый байт содержит одну из

трёх составляющих цвета RGB: красную (Red), зелёную (Green) и

синюю (Blue). Интенсивность каждой составляющей лежит в преде-

лах от 0 до 255, то есть каждая составляющая имеет 256 оттенков.

Варьируя интенсивность каждой составляющей, можно изменять

цвет от чёрного, когда интенсивность всех составляющих равна ну

лю, до белого, когда интенсивность всех составляющих максимальна.

При промежуточных комбинациях значений составляющих будут по-

лучаться различные хроматические (цветные) цвета и оттенки.

Максимальное количество возможных цветов составляет более

16 миллионов. Однако следует иметь в виду, что глаз человека спосо-

бен различать только около 4 тысяч цветов. Для кодирования такого

количества цветов достаточно

всего 4 бита (log

4000

≈ 4).

Размер файла изображения напрямую зависит от числа пикселов

и точности представления цвета. Так, 8-разрядное (1 байт) цветное

изображение размером 640х480 пиксел будет занимать 300 Кбайт

(640х480х1байт), а 24-разрядное изображение размером 1024х768

пиксел займёт уже 2,25 Мбайт (1024х768х3байт). (1Кбайт=2

=1024 байт. 1Мбайт=2

=1024Кбайт).

Степень упаковки несущего изображения зависит от того,

сколько бит младших разрядов в одном байте используется для скры-

тия информации.

При использовании 1 бита на байт графической информации,

т.е. 3 бита на пиксел, для упаковки одного скрываемого байта исполь-

зуется 3 пиксела. Степень упаковки составляет 1/9 (скрываемые биты

представлены единицей и выделены жирным

шрифтом):

R G B

(1 байт) (1 байт) (1 байт)

00000001 00000001 00000001 1 пиксел (3 байта)

При использовании 2 бит на байт графической информации, то

есть 6 бит на пиксел, для упаковки одного скрываемого байта исполь-

зуются 2 пиксела. Степень упаковки составляет 1/6:

R G B

(1 байт) (1 байт) (1 байт)

00000011 00000011 00000011 1 пиксел (3 байта)

00000011 00000000 00000000 1 пиксел (3 байта)

При использовании 3 бит на байт графической информации

можно упаковать 9 бит на пиксел, но для скрытия одного байта ис-

пользуется 8 бит на пиксел. Степень упаковки составляет 1/3:

R G B

(1 байт) (1 байт) (1 байт)

00000011 00000111 00000111 1 пиксел (3 байта)

При использовании 4 бит на байт графической информации

можно упаковать 12 бит на пиксел, но для скрытия одного байта ис-

пользуется 8 бит на пиксел. Степень упаковки составляет 1/3:

R G B

(1 байт) (1 байт) (1 байт)

00001111 00001111 00000000 1 пиксел (3 байта)

Если для записи скрываемой информации использовать 4 млад-

ших бита на каждый байт блока данных, то максимальное искажение

цвета при этом составит 6,25% (2

=16/256=0,0625). При использо-

вании 24-разрядного изображения, которое широко применяется для

описания цвета страниц в Internet в формате HTML (Hyper-Text

Markup Language), это искажение будет ещё меньше и составит всего

9,53·10

–5

% (2

=16/16777216=0,953·10

–6

Такие искажения в изображении будут практически незаметны

для глаза. Однако при скрытии информации в графическом изобра-

жении необходимо учитывать, что чувствительность глаза к различ-

ным составляющим цвета неодинакова. Так, к зелёному спектру глаз

более чувствителен, чем к красному и синему. Поэтому для практиче-

ского использования данного метода рекомендуется скрывать в

крас-

ной и синей составляющей по 3 бита, а в зелёной составляющей 2 би-

та информации. В этом случае в одном пикселе изображения может

храниться один байт скрываемой информации, и её объём можно оп-

ределить по формуле

V=W·H, (4.1)

где W - ширина изображения в пикселах;

H - высота изображения в пикселах.

Полезная ёмкость при этом составляет порядка 30%.

Следует отметить, что реально искажения изображения будут

ещё меньше, так как меняются только те биты, которые не совпадают

с битами скрываемой информации. Так, для скрытия девяти бит дан-

ных, например 101101101, в 24-разрядном изображении необходимо

изменить максимум 3 пиксела (9 байт). Пусть 3 пиксела 24-

разрядного изображения представлены в следующем виде:

R G B

(1 байт) (1 байт) (1 байт)

10010101 00001101 11001001 1 пиксел (3 байта)

10010110 00001111 11001010 1 пиксел (3 байта)

10011111 00010000 11001011 1 пиксел (3 байта)

Меняя младший разряд слева направо и сверху вниз, получаем

следующий результат (изменённые разряды выделены жирным

шрифтом):

R G B

(1 байт) (1 байт) (1 байт)

10010101 00001100 11001001 1 пиксел (3 байта)

10010111 00001110 11001011 1 пиксел (3 байта)

10011111 00010000 11001011 1 пиксел (3 байта)

Таким образом, для скрытия девяти бит данных потребовалось

заменить всего четыре бита только в 2 пикселах исходного изображе-

ния, что составляет менее 50 % младших разрядов, используемых для

этой цели.

Такой же метод можно использовать и для скрытия информации

в чёрно-белых изображениях.

2.2.3. Метод замены цветовой палитры

Метод основан на использовании специфических

особенностей

формата файла-контейнера и предназначен для скрытия текстовой ин-

формации в графических файлах, использующих цветовые палитры.

Такими файлами являются, например, файлы BMP, PCX и GIF [3].

Палитра представляет собой некоторое число триад байт (не бо-

лее 256), которые описывают цвет точки по тому же принципу, что и

в файлах True Color. За палитрой следует массив байт, каждый из ко-

торых описывает одну точку изображения и содержит в себе номер

цвета в палитре.

При использовании этого метода в качестве контейнера следует

выбирать файлы, содержащие некоторый цвет в избытке. Например,

это могут быть схемы, рисунки, текст чёрного цвета на белом фоне.

Такое сочетание цветов является оптимальным для реализации дан-

ного метода, однако можно использовать и другие цвета.

В качестве примера возьмём изображение, содержащее чёрный

рисунок на белом фоне. Фон занимает большую часть

изображения,

т. е. имеется избыток белого цвета.

Вначале создаётся алфавит, содержащий символы, которые ис-

пользуются в файле сообщения, например все 33 буквы русского ал-

фавита от А до Я, цифры от 0 до 9, специальные знаки и знаки пунк-

туации – всего 51 символ:

Код 0 1 2 3 4 … 49 50

Символ А Б В Г Д … % ;

Далее проводится замена цветов палитры. Для этого первому 51

цвету палитры назначается черный цвет (цвет рисунка). Следующе-

му 51 цвету палитры назначается белый цвет (цвет фона). Если рису-

нок содержит 3…5 цветов, то можно переназначить следующие груп-

пы по 51 цвету в соответствующие цвета. Тогда в нашем случае из-

менённая палитра цветов будет иметь в

шестнадцатеричном пред-

ставлении следующий вид:

Черный цвет

Код 0 1 2 … 49 50

Цвет 00 00 00 00 00 00 00 00 00 … 00 00 00 00 00 00

Белый цвет

Код 51 52 53 … 100 101

Цвет FF FF FF FF FF FF FF FF FF … FF FF FF FF FF FF

Черный цвет в данном случае имеет нулевой уровень, что для

одного байта соответствует 0 в десятичной системе счисления,

00000000 в двоичной и 00 в шестнадцатеричной, а белый цвет имеет

уровень 255, что соответствует 255 в десятичной, 11111111 в двоич-

ной и FF в шестнадцатеричной системе счисления. Для скрытия ин-

формации берётся первая точка изображения, анализируется её при-

надлежность к определённой цветовой группе, например к группе

чёрного цвета, затем этой точке присваивается код текущего символа

из файла-сообщения с учётом выбранной цветовой группы. Напри-

мер, для символа Б чёрной точке будет назначен цвет с кодом 1, а

белой точке – цвет с кодом 52.

Объём скрываемой этим методом информации определяется по

формуле (2.1). Метод является самым ёмким для скрытия информа-

ции в графических файлах и позволяет оставлять изображение без

изменений

. Его можно использовать для любого алфавита с числом

символов не более 128.

Однако информация, скрытая этим методом, легко выявляется

статистическим анализом, например просмотром гистограммы гра-

фического файла в редакторе Fhotoshop.

2.2.4. Метод сортировки цветовой палитры

Метод основан как на использовании особенностей формата

контейнера, так и на использовании психофизических особенностей

восприятия цвета человеком. При этом методе в качестве контейнера

используются файлы с индексированными цветами, содержащими

монохромное (обычно градации серого) изображение. Суть метода

заключается в специальной предварительной подготовке файла-

контейнера [3].

Палитра файла упорядочивается таким образом, чтобы цвета с

соседними номерами минимально отличались друг от друга и равно-

мерно изменялись от чёрного цвета для нулевого номера до белого

цвета для 255-го номера. После этого скрываемая информация зано-

сится в младшие разряды точек изображения. То есть искажаются не

сами цвета, а номера цветов, но благодаря предварительно отсорти-

рованной палитре цвет

точки заменяется на похожий, который прак-

тически невозможно отличить от исходного из-за их малого различия.

Информация, скрытая данным методом, также легко выявляется

средствами программного анализа.

Описанные выше методы не увеличивают размер файла-

контейнера, но их применение ограничено растровыми форматами,

использующими сжатие информации без потери качества, например

RLE- или LZW-сжатие.

2.2.5. Методы компьютерной стеганографии в JPEG-файлах

Цветные изображения, представленные в цифровой форме, дос-

таточно велики и занимают большой объём памяти (до нескольких

мегабайт). Поэтому для их сжатия существует ряд методов. Так, фор-

маты BMP и GIF используют алгоритмы сжатия без потерь, обеспе-

чивающие точное восстановление исходного изображения. Сущест-

вуют также алгоритмы сжатия с потерей (искажением) информации.

Таким примером

может служить формат JPEG (Joint Photographic

Experts Group) [4].

В общем случае методы обработки (сжатия) изображений мож-

но разделить на две группы: непосредственные и спектральные. При

использовании непосредственных методов обработке подвергаются

сами исходные изображения (пикселы). Спектральные методы осно-

ваны на применении дискретных унитарных преобразований Фурье,

Адамара и др. При этом обрабатывается не

исходное изображение, а

соответствующие коэффициенты преобразования.

Алгоритм сжатия JPEG состоит из следующих этапов:

преобразование изображения в оптимальное цветовое простран-

ство;

субдискретизация компонентов цветности посредством их ус-

реднения;

применение дискретных косинусных преобразований (разно-

видность преобразований Фурье) для уменьшения избыточности дан-

ных изображения;

квантование коэффициентов преобразования с применением ве-

совых функций, оптимизированных с

учётом физиологических осо-

бенностей зрения;

кодирование данных изображения (результирующих коэффици-

ентов) для удаления избыточности информации с применением алго-

ритма Хаффмана.

Возможность использования файловых форматов, построенных

по схеме сжатия JPEG, для скрытия информации обусловлена их ши-

роким распространением при хранении и передаче графических изо-

бражений, в частности в сети Internet.

В JPEG-файлах могут использоваться

следующие методы скры-

тия информации: